王樹星，宋亮，梁云漢

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

淺層地溫能是指蘊(yùn)藏在地下200m以內(nèi)的巖土體或地下水中，具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能。因其具有儲(chǔ)量大、分布廣、埋藏淺、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，近年來(lái)受到了國(guó)家的大力推廣，許多地產(chǎn)項(xiàng)目更是大力開發(fā)建設(shè)地源熱泵項(xiàng)目，但由于缺乏前期勘查和規(guī)劃資料[3]，在一些條件不適宜地區(qū)盲目建設(shè)新的地源熱泵項(xiàng)目，造成了投資過(guò)高，運(yùn)行效率低等問(wèn)題[4-7]。因此，開展淺層地溫能資源調(diào)查及適宜性區(qū)劃研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

該文以山東省十六市下轄縣(市)及城鎮(zhèn)化建設(shè)重點(diǎn)區(qū)域淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目為依托，開展淺層地溫能適宜性分區(qū)及資源潛力評(píng)價(jià)工作，為合理開發(fā)利用淺層地溫能資源提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)其他相近地區(qū)推廣利用淺層地溫能提供參考。

1 淺層地溫能賦存條件

1.1 淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)位于山東省中部地區(qū)，屬于傾斜平原區(qū)。區(qū)內(nèi)幾乎全部被第四系覆蓋，巖性為粉質(zhì)粘土、粘土，厚10～50m，區(qū)內(nèi)分布自南向北逐漸變厚。下伏地層以萊陽(yáng)群城山后組砂巖、長(zhǎng)石砂巖及青山群八畝地組玄武巖、安山巖、凝灰?guī)r為主。

1.2 水文地質(zhì)概況

圖1 山東省水文地質(zhì)分區(qū)圖(局部)

研究區(qū)位于魯西北平原松散巖類水文地質(zhì)區(qū)與魯中南中低山丘陵碳酸鹽類為主水文地質(zhì)區(qū)交界地帶[8](圖1)。北部屬山前沖洪積平原淡水水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅰ1)的孝婦河沖洪積扇孔隙水系統(tǒng)(Ⅰ1-3)，南部屬平陰-臨朐單斜水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅱ1)的淄川盆地裂隙、孔隙水文地質(zhì)小區(qū)(Ⅱ1-10)。

依據(jù)地下水賦存的不同介質(zhì)類型、巖石的含水性及水力特征，該區(qū)地下水含水巖組分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組及基巖裂隙含水巖組3類(圖2)。

1.2.1 第四系松散巖類孔隙含水巖組

(1)沖積孔隙含水層

該含水層主要沿孝婦河河漫灘呈條帶狀分布，分布寬度50～500m，含水層巖性為砂礫石夾中、粗砂，厚度一般10～20m。單井涌水量一般大于1000m3/d，含水層富水性好；水化學(xué)類型為SO4-Ca·Mg或SO4·Cl-Ca·Mg型。

(2)沖洪積孔隙含水層

該含水層廣泛分布于孝婦河沖洪積平原區(qū)，主要沿河帶狀分布。沉積厚度一般10m左右，最厚20m以上，含水層厚度3m左右，近河道地帶厚度較小，約5～10m。單井涌水量一般300～1000m3/d，透水性和富水性較好；水位埋深6～14m；礦化度介于600～1000mg/L之間，水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Ca·Mg型。

1—松散巖類孔隙含水巖組；2—碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組；3—基巖裂隙含水巖組；4—粉質(zhì)粘土；5—砂質(zhì)粘土；6—粘土；7—細(xì)砂；8—長(zhǎng)石砂巖；9—石英砂巖；10—砂巖；11—含礫砂巖；12—凝灰?guī)r；13—玄武巖；14—第四系白云湖組；15—第四系大站組；16—新近系牛山組；17—青山群八畝地組；18—萊陽(yáng)群城山后組；19—實(shí)測(cè)及推測(cè)平行不整合地質(zhì)界線；20—含水巖組界線；21—斷層；22—研究區(qū)范圍圖2 研究區(qū)立體水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

(3)坡洪積孔隙含水層

分布于城區(qū)南部山間谷地、溝谷兩側(cè)的丘陵地帶，巖性主要為粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土夾砂礫，厚度1～15m。一般單井涌水量小于100m3/d；個(gè)別溝谷地帶單井涌水量可達(dá)240m3/d。水位埋深一般10m左右。水化學(xué)類型為Cl·HCO3-Ca·Mg，HCO3·SO4-Ca·Mg型。

1.2.2 碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組

主要分布于研究區(qū)南部丘陵壟崗區(qū)，在山間洼地及北部隱伏于第四系之下。含水層巖性主要為中薄層長(zhǎng)石砂巖夾砂礫巖。裂隙發(fā)育程度差，一般透水性弱，富水性差。單井涌水量一般小于100m3/d。

1.2.3 基巖裂隙水含水巖組

該含水巖組主要分布在研究區(qū)南部的方家村一帶，主要巖性為黑色橄欖玄武巖，垂直層面柱狀節(jié)理構(gòu)造發(fā)育，具氣孔及杏仁構(gòu)造，與下伏地層呈不整合接觸。富水性較差，單井涌水量小于100m3/d。

1.3 巖土體熱物性特征

共采集巖土樣品171件測(cè)試巖土熱物性參數(shù)。熱物性測(cè)試方法為瞬態(tài)平面熱源法，試驗(yàn)設(shè)備為湘潭湘儀儀器有限公司生產(chǎn)的DRE-Ⅲ導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，儀器測(cè)量范圍為0.005～20W/(m·℃)，測(cè)量精度為±3%，分辨率為0.005W/(m·℃)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。粘土和粉質(zhì)粘土熱導(dǎo)率較低，介于1.67～1.83W/(m·K)之間，砂巖、安山巖、凝灰?guī)r、玄武巖的熱導(dǎo)率較高，介于1.986～2.647W/(m·K)之間。巖性的熱導(dǎo)率越大，則熱擴(kuò)散率越大，不同巖性熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率呈正相關(guān)關(guān)系；而比熱容則隨著熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率的增大而減小。

表1 主要巖性熱物理參數(shù)

2 換熱方式適宜性分區(qū)

淺層地溫能的開發(fā)利用適宜性分區(qū)主要圍繞地下水源熱泵和地埋管地源熱泵的方式進(jìn)行[9-10]。

2.1 分區(qū)方法

層次分析法(AHP)是一種可以對(duì)一些復(fù)雜、模糊問(wèn)題作出決策的權(quán)重分析方法[11-14]。

運(yùn)用層次分析法(APH)，通過(guò)yaahp(verion6.0)軟件，在綜合考慮該區(qū)實(shí)際情況及專家建議指標(biāo)[15]和其他檢驗(yàn)指標(biāo)[16-17]的情況下，建立分區(qū)評(píng)價(jià)模型(圖3)。使用MapGIS軟件，對(duì)研究區(qū)換熱方式進(jìn)行評(píng)價(jià)分區(qū)。

2.2 分區(qū)結(jié)果

2.2.1 地下水源熱泵適宜性分區(qū)

研究區(qū)地下水熱泵開發(fā)利用適宜性分區(qū)劃分為二級(jí)，即適宜性中等區(qū)、不適宜區(qū)。

a—地下水源熱泵適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)模型；b—地埋管地源熱泵分區(qū)評(píng)價(jià)模型圖3 換熱方式適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)模型

適宜性中等區(qū)：研究區(qū)內(nèi)較適宜利用孔隙水換熱系統(tǒng)的區(qū)域共計(jì)2.62km2，約占全區(qū)面積的4.36%。主要分布在研究區(qū)東北部孝婦河沿岸的白家寨、班里莊一帶(圖4)。區(qū)內(nèi)含水層巖性以第四系砂質(zhì)粘土為主，富水性較好，水位埋藏深度小，礦化度小。

不適宜區(qū)：除了研究區(qū)東北部孝婦河沿岸以外，研究區(qū)其他地區(qū)均為地下水換熱方式不適宜區(qū)。

2.2.2 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)

結(jié)合研究區(qū)淺層地溫能水文地質(zhì)條件、地質(zhì)條件及熱物性、地層屬性，利用層次分析法，將研究區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)劃分為適宜性好區(qū)(Ⅰ區(qū))、適宜性中等區(qū)(Ⅱ區(qū))、適宜性差區(qū)三個(gè)級(jí)別(圖4)。

1—適宜性好區(qū)；2—適宜性中等區(qū)；3—適宜性差區(qū)；4—地下水源熱泵適宜性中等區(qū)；5—研究區(qū)范圍；6—地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)界線；7—地下水源熱泵適宜性分區(qū)界線圖4 研究區(qū)地源熱泵適宜性分區(qū)

適宜性好區(qū)(Ⅰ區(qū))：總面積21.69km2，約占研究區(qū)總面積的36.13%。

Ⅰ1亞區(qū)主要分布于研究區(qū)中部、南部的北旺莊、黃家營(yíng)村、陳路村、太和莊、趙家莊、二十里鋪、孟家堰、杜家莊一帶，面積17.40km2。區(qū)內(nèi)巖性主要為第四系粉質(zhì)粘土、粘土，下伏地層巖性為城山后組砂巖、長(zhǎng)石砂巖，綜合熱導(dǎo)率一般大于2.00w/m·℃。

Ⅰ2亞區(qū)主要分布于研究區(qū)東北部的張坊村、白家寨、南營(yíng)一帶，面積4.29km2，區(qū)內(nèi)巖性主要為粉質(zhì)粘土、粘土，下伏地層巖性為城山后組砂巖、長(zhǎng)石砂巖。

適宜性中等區(qū)(Ⅱ區(qū))：總面積32.20km2，占研究區(qū)總面積的53.63%，區(qū)內(nèi)巖性主要為第四系粉質(zhì)粘土、粘土，下伏地層巖性為城山后組砂巖以及八畝地組玄武巖、安山巖。

Ⅱ1亞區(qū)主要分布于周村區(qū)老城區(qū)、北部的東塘塢、陳橋村以及黃家營(yíng)東部的區(qū)域，面積30.19km2。

Ⅱ2亞區(qū)分布于研究區(qū)東南部南部的高塘一帶，面積2.01km2。

適宜性差區(qū)(Ⅲ區(qū))：面積6.15km2，占研究區(qū)面積的10.24%。分布在研究區(qū)南部的尚莊、方家莊一帶。

2.3 淺層地溫能適宜性區(qū)劃

在分別進(jìn)行地下水和地埋管換熱方式適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上，遵循地下水和地埋管換熱方式適宜性優(yōu)先原則(表2)，進(jìn)行淺層地溫能開發(fā)利用適宜性區(qū)劃。

研究區(qū)除了水庫(kù)等重要水源地保護(hù)區(qū)之外，其他地區(qū)均適合開發(fā)淺層地溫能。其中，淺層地溫能開發(fā)利用適宜性中等區(qū)面積53.89km2，占研究區(qū)的89.76%，為地埋管換熱方式適宜性好、適宜性中等區(qū)和地下水換熱方式不適宜區(qū)的重疊區(qū)域；適宜性差區(qū)面積6.15km2，占研究區(qū)面積的10.24%，主要分布在研究區(qū)南部的尚莊、方家莊、王家莊一帶，不適宜淺層地溫能開發(fā)利用。

表2 淺層地溫能適宜性區(qū)劃原則

3 資源潛力評(píng)價(jià)

淺層地溫能資源潛力評(píng)價(jià)需要計(jì)算的數(shù)據(jù)有：淺層地溫能熱容量、地埋管地源熱泵換熱功率。

3.1 熱容量計(jì)算

3.1.1 計(jì)算方法

采用體積法分別計(jì)算120m和200m以淺包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲(chǔ)藏的熱量，然后合并計(jì)算評(píng)價(jià)區(qū)范圍內(nèi)巖土體和地下水中的儲(chǔ)熱性能。

計(jì)算時(shí)僅計(jì)算適宜區(qū)和較適宜區(qū)范圍內(nèi)的熱容量，不適宜區(qū)不參與計(jì)算。首先按200m×200m進(jìn)行單元格劃分，在此基礎(chǔ)上考慮單元格巖性分布的特點(diǎn)以及單元格內(nèi)包氣帶和飽水帶的厚度，另外，對(duì)于巖土體比熱容、孔隙率、密度等參數(shù)差異較大的單元，再按照實(shí)際情況進(jìn)行細(xì)分。

參考淺層地溫能勘查評(píng)價(jià)規(guī)范的要求確定各計(jì)算參數(shù)。

3.1.2 計(jì)算結(jié)果

研究區(qū)內(nèi)120m深度內(nèi)淺層地溫容量為14.09×1012kJ/℃；200m深度內(nèi)淺層地溫容量為23.16×1012kJ/℃。

表3 淺層地溫能熱容量計(jì)算

3.2 淺層地溫能換熱功率計(jì)算

淺層地?zé)崮軗Q熱功率為在淺層巖土體、地下水中單位時(shí)間內(nèi)的熱交換量[18]。

3.2.1 計(jì)算方法

在淺層地溫能賦存條件類似區(qū)域，先計(jì)算地埋管單孔換熱功率，再計(jì)算全區(qū)地埋管換熱功率。地埋管熱泵和地下水源熱泵均可利用區(qū)域，按照地埋管換熱功率占2/3，地下水源換熱功率占1/3的比例計(jì)算。僅可利用地埋管熱泵或僅可利用地下水熱泵的區(qū)單獨(dú)100%全部計(jì)入，計(jì)算換熱功率。

土地利用系數(shù)=城市規(guī)劃系數(shù)×0.35(折減系數(shù))[1]。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算，在研究區(qū)內(nèi)考慮土地利用系數(shù)的情況下，120m以淺地埋管熱泵系統(tǒng)換熱功率為61.15×104kW/69.62×104kW(夏季/冬季)。

表4 地埋管換熱功率計(jì)算結(jié)果

3.3 資源潛力評(píng)價(jià)

3.3.1 冷熱負(fù)荷的確定

公用建筑負(fù)荷和民用建筑負(fù)荷比例采用3∶2，老建筑和節(jié)能建筑指標(biāo)各按50%計(jì)，建筑物制冷、供暖負(fù)荷取值為70W/m2(夏季)/55W/m2(冬季)，結(jié)合冬季換熱功率的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算可供暖面積(表5)[2]。

表5 單位建筑面積冷熱負(fù)荷指標(biāo)

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

在研究區(qū)城市規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi)，考慮土地利用系數(shù)的情況下，全部應(yīng)用地埋管地源熱泵系統(tǒng)，夏季可制冷面積873.57×104m2，冬季可供暖1265.80×104m2。2017年周村區(qū)集中供暖面積550×104m2，如采用地源熱泵，完全可以滿足全區(qū)供暖需求。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

淺層地溫能作為一種非常規(guī)能源，通常采用折算常規(guī)能源(標(biāo)準(zhǔn)煤)的方法來(lái)計(jì)算其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4.1 計(jì)算公式

取原煤與標(biāo)準(zhǔn)煤的折算系數(shù)0.7143[19]，燃煤鍋爐熱效率按0.6計(jì)算[20]，計(jì)算出節(jié)省的標(biāo)煤量。

GB=56.94×Q

GJ=GB×η

V=GJ×P/10000

式中：GB—相當(dāng)節(jié)約標(biāo)煤量(kg);Q—淺層地溫能開發(fā)利用的總能量(GJ);GJ—節(jié)煤量(kg)；η—淺層地溫能開發(fā)利用效率，按35%計(jì)；V—相當(dāng)熱資源價(jià)值(萬(wàn)元)；p—燃煤價(jià)格(元/kg)

4.2 計(jì)算結(jié)果

自然條件下，淺層地溫能開發(fā)利用總能量Q為4.48×106GJ/a(考慮土地利用系數(shù))，折合標(biāo)準(zhǔn)煤25.52萬(wàn)t/a。按照淺層地溫能開發(fā)利用效率35%計(jì)算，節(jié)煤量8.93萬(wàn)t/a，熱資源價(jià)值4465.69萬(wàn)元/a。

5 結(jié)論

(1)基于周村區(qū)的水文地質(zhì)條件、水動(dòng)力場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)、熱物性及巖性組合條件，對(duì)周村區(qū)城市規(guī)劃區(qū)進(jìn)行淺層地溫能適宜性分區(qū)結(jié)果表明，適宜性中等區(qū)面積共53.89km2，占研究區(qū)面積的89.76%。研究區(qū)范圍內(nèi)可以大力開發(fā)利用淺層地溫能資源。

(2)研究區(qū)內(nèi)利用淺層地溫能系統(tǒng)，夏季可制冷面積873.57×104m2，冬季可供暖1265.80×104m2。

(3)研究區(qū)內(nèi)淺層地溫能開發(fā)利用總能量為4.48×106GJ/a，折合標(biāo)準(zhǔn)煤25.52萬(wàn)t/a；節(jié)煤量8.93萬(wàn)t/a，熱資源價(jià)值4465.69萬(wàn)元/a。